SIMULASI KOLOM DISTILASI JENIS SIEVE TRAY UNTUK SISTEM TERNARY METANOL ETANOL AIR

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

SIMULASI KOLOM DISTILASI JENIS SIEVE TRAY UNTUK SISTEM TERNARY METANOL – ETANOL – AIR Herry Santoso, Sobari Malik, Grace Mayasari dan Harry Kusniawan Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan Jl. Ciumbuleuit 94, Bandung - 40141 Telp/Fax: 62-22-2032700, E-mail: [email protected]

Abstrak Distilasi merupakan metode pemisahan yang banyak sekali digunakan di industri. Metode ini sudah dikenal sejak dulu untuk pembuatan minuman beralkohol. Jenis kolom distilasi yang banyak digunakan adalah jenis sieve tray, karena jenis ini membutuhkan biaya investasi dan perawatan relatif lebih kecil dibandingkan jenis kolom lainnya. Selain itu sieve tray juga mempunyai performa yang cukup baik. Simulasi dalam penelitian ini dilakukan dengan cara mengubah masukan kolom kemudian mengamati pengaruhnya terhadap keluaran kolom. Masukan yang divariasikan meliputi variasi besar laju umpan, variasi komposisi metanol dalam umpan, variasi besar refluks, serta variasi jumlah uap yang dihasilkan reboiler. Sementara keluaran kolom yang diamati adalah komposisi metanol, etanol, dan air dalam distilat dan bottom. Berdasarkan hasil simulasi yang dilakukan didapatkan bahwa secara garis besar variasi laju umpan, konsentrasi metanol dalam umpan, dan laju cairan refluks (Lr) memberikan pengaruh yang serupa untuk konsentrasi zat di distilat dan produk bawah. Semakin besar laju umpan, konsentrasi metanol dalam umpan, dan laju cairan refluks, semakin besar pula konsentrasi metanol dalam distilat dan produk bawah. Sementara itu, variasi jumlah uap yang dihasilkan reboiler memberikan pengaruh yang bertolak belakang. Dalam setiap variasi, konsentrasi zat yang paling tidak volatil (air) memiliki respon yang bertolak belakang dengan konsentrasi zat paling volatil (metanol). Kata kunci : Distillation; Equilibrium Model; SieveTray

Pendahuluan Distilasi merupakan metode pemisahan suatu komponen dari suatu campuran, yang bergantung kepada distribusi komponen tersebut pada fasa gas dan fasa cair, dimana semua komponen berada di kedua fasa. Pada awalnya, distilasi digunakan sebagai sebuah metode dalam pembuatan minuman beralkohol. Pada akhir abad XX studi mengenai distilasi berkembang seiring dengan perkembangan komputer dalam melakukan perhitungan-perhitungan eksak yang memberikan hasil jauh lebih akurat dalam mendesain system distilasi. Telah diketahui bahwa kolom tray banyak sekali digunakan dalam industri, dibandingkan kolom packed. Hal ini dikarenakan kolom tray mempunyai lebih banyak kelebihan dibandingkan kolom packed, diantaranya kolom tray lebih mudah dioperasikan dengan interreboiler, intercondenser, cooling coil, dan side draw off; tray bisa mengatasi padatan lebih baik saat terjadi fouling; waktu tinggal campuran di dalam kolom lebih lama dibandingkan packed; kolom tray lebih mudah dibersihkan dari packed; untuk laju alir cairan yang tinggi kolom tray tidak mengalami penurunan kapasitas, sedangkan pada kolom packed kapasitas ini harus diturunkan; dan secara keseluruhan harganya lebih murah dibandingkan kolom packed. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan pemodelan suatu kolom distilasi tray yang memberikan keakuratan yang baik terhadap perolehan distilat dan mempelajari pengaruh dari variasi laju dan komposisi umpan, serta variasi refluks dan jumlah uap yang dihasilkan reboiler terhadap perolehan distilat dan bottom.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-1

Pemodelan Kolom Distil;asi Skema kolom distilasi yang digunakan adalah sebagai berikut : CW in

out

LC

FC

Distillation Column

Steam in out

Gambar 1. Skema Proses Distilasi Adapun asumsi-asumsi yang digunakan pada penelitian ini adalah : 1. Adanya kesetimbangan uap – cair di setiap tahap dalam kolom. 2. Cairan turun ke tahap yang ada di bawah tahap kesetimbangan dan uap sebaliknya, sehingga perhitungan dilakukan disetiap tahap. 3. Cairan pada tiap tray tercampur sempurna dan bersifat inkompresibel 4. Feed masuk sebagai saturated liquid 5. Holdup uap pada tray diabaikan 6. Constant molar overflow Model kolom yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Model kolom rectifying dt

= ((( xri +1 − xri ) × Lr ) + (( yri −1 − yri ) × Vr )) HL

(1)

dt

= ((( xs i +1 − xs i ) × Ls ) + (( ys i −1 − ys i ) × Vs)) HL

(2)

= ( xr (1) × Lr − xf × Ls + ys(9) × Vs − yf × Vr + xF × F ) HL

(3)

dx

Model kolom stripping dx

Model kolom umpan dx

dt

Model kondensor total = Vr × ( yr (9) − xc) Mc

(4)

= ( xs(1) × Ls − yb × Vs − xb × B ) Mb

(5)

dx

dt

Model reboiler parsial dx

dt

Efisiensi pada setiap tray yang digunakan pada penelitian ini diambil berdasarkan literatur yaitu sebesar 80% (Kister,1992). Sementara untuk menghitung kesetimbangan uap-cair pada penelitian ini, digunakan metode UNIFAC. Metode UNIFAC sendiri merupakan analogi dari metode UNIQUAC, keduanya menggunakan metode pengelompokan kontribusi. UNIFAC merupakan metode yang paling abstrak dan biasanya digunakan untuk penaksiran. Metoda UNIFAC dibutuhkan bila data spesifik tidak diketahui. Untuk menyelesaikan model yang telah dibentuk, digunakan metode penyelesaian sistem persamaan aljabar tak linier untuk simulasi steady state dan metode integrasi numerik sistem persamaan differensial biasa (Ordinary Differential Equation/ODE) masalah nilai awal untuk simulasi dinamik. Piranti lunak yang digunakan dalam penyelesaiaan numerik ini adalah MATLABTM v6.1. Adapun fungsi yang dipakai adalah JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-2

fsolve untuk penyelesaian sistem persamaan aljabar tak linier dan ode15s yang biasanya digunakan untuk menyelesaikan sistem persamaan differensial biasa jenis stiff equation masalah nilai awal. Simulasi Dalam simulasi ini, variasi besar refluks dan besar kalor pada reboiler dilakukan dengan menggunakan besaran lain. Pada variasi besar refluks, digunakan besar laju aliran cairan untuk bagian rectifying (Lr). Hal ini dapat dilakukan sesuai dengan hubungan bahwa: (6) R = Lr D

Sedangkan untuk variasi besar kalor pada reboiler, digunakan besar laju uap untuk bagian stripping (Vs). Hal ini dimungkinkan karena besar kecilnya kalor yang dipasok pada reboiler secara langsung akan mempengaruhi jumlah uap yang terbentuk yang selanjutnya akan masuk kembali ke dalam kolom distilasi dan selanjutnya akan dikenal sebagai besaran Vs. Semakin besar kalor yang dipasok, semakin banyak pula uap yang terbentuk, begitu pula sebaliknya. Penggantian besaran ini dilakukan dengan tujuan untuk mempermudah permodelan. Adapun hasil simulasi yang didapatkan adalah sebagai berikut :

No Tray

Kurva perubahan fraksi mol tiap tray 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Fraksi Mol Methanol

air

Etanol

Gambar 2. Kurva perubahan fraksi mol tiap tray Tray 1 merupakan reboiler, tray 11 merupakan tray umpan sementara tray 21 merupakan tray kondensor. Pada grafik terlihat bahwa untuk fraksi metanol terjadi peningkatan secara konstan untuk tiap traynya, fraksi mol air akan turun sejalan dengan penurunan tray, sementara fraksi mol etanol mengikuti kecenderungan dari fraksi mol air. Hal ini disebabkan titik didih etanol yang hampir terletak di tengah-tengah titik didih air dan metanol, selain itu jumlah dari metanol sama banyaknya dengan jumlah etanol dan air. Pada tray umpan terjadi perubahan yang cukup signifikan, hal ini dikarenakan pada tray feed terdapat masukan yang berasal dari umpan.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-3

Perubahan Fraksi Mol Metanol Di Distilat

Perubahan Fraksi Mol Metanol Di Bottom 0.25

1

0.2 Fraksi Mol

Fraksi Mol

0.95 0.9 0.85

0.15 0.1 0.05

0.8 0.75 -15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0 -15%

-10%

-5%

F

XFM

Lr

F

Vs

Perubahan Fraksi Mol Etanol Di Distilat

5%

10%

15%

XFM

Lr

Vs

Perubahan Fraksi Mol Etanol Di Bottom

0.2

0.38 0.35

0.16 Fraksi Mol

0%

Besar Perubahan

Besar Perubahan

0.32 0.12

0.29 0.08

0.26

0.04

0.23

0 -15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0.2 -15%

-10%

-5%

Besar Perubahan F

XFM

Lr

F

Vs

Perubahan Fraksi Mol Air Di Distilat

0.8

0.04

0.72

0.03

0.64

0.02

0.56

0.01

0.48

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

0.4 -15%

-10%

X FM

Lr

X FM

-5%

B esar P erub ahan

F

5%

10%

15%

Lr

Vs

Perubahan Fraksi Mol Air Di Bottom

0.05

0 -15%

0%

B esar P erub ahan

0%

5%

10%

15%

B esar P erub ahan

Vs

F

X FM

Lr

Vs

Gambar 3. Kurva perubahan fraksi mol di distilat dan bottom untuk tiap komponen Penambahan laju umpan akan meningkatkan konsentrasi metanol di distilat dan produk bawah. Sedangkan pengurangan laju umpan akan mengakibatkan menurunnya konsentrasi metanol di distilat dan produk bawah. Penambahan laju umpan memiliki pengaruh yang berkebalikan terhadap konsentrasi air, sementara untuk etanol secara garis besar respon yang dihasilkan memiliki kecenderungan yang sama dengan respon air, hanya saja produk bawah, pengurangan laju umpan akan mengakibatkan menurunnya konsentrasi etanol. Penambahan jumlah umpan juga akan mengakibatkan peningkatan jumlah produk bawah yang diperoleh. Perubahan fraksi mol metanol pada umpan menghasilkan efek yang sejalan dengan gangguan yang diberikan. Peningkatan fraksi mol metanol pada umpan akan meningkatkan fraksi mol metanol sekaligus JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-4

mengurangi fraksi mol etanol dan air pada umpan, begitu pula sebaliknya. Peningkatan fraksi mol suatu komponen pada umpan akan mengakibatkan meningkatnya konsentrasi komponen tersebut di distilat dan produk bawah, sedangkan penurunan fraksi mol suatu komponen pada umpan akan mengakibatkan penurunan fraksi mol komponen tersebut di distilat dan produk bawah. Hanya saja pada respon produk bawah untuk etanol, pengurangan fraksi mol metanol mengakibatkan turunnya fraksi mol etanol karena pertambahan jumlah etanol lebih sedikit dibandingkan pertambahan konsentrasi air di dalam kolom distilasi sehingga walaupun jumlah etanol di produk bawah meningkat tetapi fraksi molnya menurun. Perubahan besar laju cairan bagian rectifying (Lr) memiliki pengaruh yang sejalan dengan respon yang didapatkan untuk fraksi mol metanol pada distilat dan produk bawah. Penambahan Lr akan mengakibatkan meningkatnya fraksi mol metanol pada distilat dan produk bawah, begitu pula sebaliknya. Sedangkan pengaruh laju Lr terhadap fraksi mol air di distilat dan produk bawah berkebalikan dengan pengaruh yang diberikan variasi ini terhadap fraksi mol metanol di disitilat dan produk bawah. Sementara pada respon fraksi mol etanol didapatkan bahwa kenaikan laju Lr lebih kecil pengaruhnya terhadap fraksi mol etanol yang didapat di distilat dan produk bawah bila dibandingkan dengan penurunan laju Lr. Penambahan Lr juga mengakibatkan meningkatnya jumlah produk bawah yang diperoleh, begitu juga sebaliknya. Sedangkan variasi penambahan laju uap (Vs) akan mengakibatkan konsentrasi metanol berkurang, baik pada distilat maupun produk bawah. Sementara pengurangan Vs akan mengakibatkan konsentrasi metanol pada distilat dan produk bawah meningkat. Variasi ini memiliki pengaruh yang bertolak belakang terhadap konsentrasi air di distilat dan produk bawah bila dibandingkan dengan pengaruhnya terhadap konsentrasi metanol. Dari respon yang didapatkan juga terlihat bahwa penurunan besar laju uap (Vs) lebih kecil pengaruhnya terhadap fraksi mol etanol di distilat dan produk bawah bila dibandingkan dengan peningkatan laju Vs. Peningkatan jumlah kalor yang diberikan pada reboiler juga akan mengakibatkan meningkatnya jumlah distilat yang akan diperoleh, begitu pula sebaliknya. Kesimpulan 1. Kolom distilasi dapat dimodelkan dengan menggunakan pendekatan teoritik melalui neraca massa dan persamaan kesetimbangan uap-cair. 2. Secara garis besar dapat dikatakan variasi laju alir umpan, konsentrasi umpan, dan laju cair (Lr) memberikan efek yang sama terhadap konsentrasi zat di distilat maupun produk bawah. Semakin besar laju alir umpan, konsentrasi umpan serta laju cair, semakin tinggi pula konsentrasi zat volatil di distilat dan produk bawah. 3. Variasi Vs memberikan pengaruh yang berkebalikan dari varasi-variasi yang lain, semakin besar laju Vs atau kalor yang diberikan kepada reboiler, maka semakin rendah konsentrasi zat volatil di distilat dan produk bawah.. 4. Secara garis besar dapat dikatakan bahwa variasi yang dilakukan memberikan pengaruh yang berbanding terbalik antara zat yang volatil dengan zat paling tidak volatil. 5. Variasi besar Vs dan Lr memberikan pengaruh yang lebih besar daripada pengaruh yang diberikan oleh variasi laju alir umpan dan fraksi umpan. Vs adalah yang paling berpengaruh. Daftar Notasi D laju alir distilat, kmol/jam F laju alir massa feed, kmol/jam Lr laju alir massa cairan di rectifying, kmol/jam Ls laju alir massa cairan di stripping, kmol/jam R Refluks Vr laju alir massa uap di rectifying, kmol/jam Vs laju alir massa uap di stripping, kmol/jam HL Hold up liquid, kmol Mc Hold up kondensor, kmol Mb Hold up boiler, kmol xr fraksi mol liquid di rectifying xs fraksi mol liquid di stripping yr fraksi mol vapour di rectifying ys fraksi mol vapour di stripping Subscript dan superscript: i tahap pada tray

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-5

Daftar Pustaka 1. Bird, R. B., Warren E. S., and Edwin N. L., Transport Phenomena, John Wiley & Sons, Inc., Singapore, 1994. 2. Daubert, Thomas E., Chemical Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill, United States of America, 1985. 3. Geankoplis C. J., Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed., Prentice-Hall Int. New Jersey, 1993. 4. Humphrey, Jimmy L. And George E. K. II, Separation Process Technology, McGraw-Hill, United States of America, 1997. 5. Kister, Henry Z., Distillation Design, McGraw-Hill, United States of America, 1992. 6. Khrisna, R., Koojiman, Hendrik K. and Taylor, R., Real World Modelling Of Distillation, CEP Magazine, July 2003. 7. Koojiman, Hendrik K. and Taylor, R., Modelling Mas Transfer In Multicomponent Distillation, The Chemical Engineering Journal 57(1995) : 177 – 188. 8. Luyben, William L., Process Modelling, Simulation and Control For Chemical Enginneers, McGraw – Hill, Singapore, 1990. 9. McCabe, W. L., Julian C. S. And Peter H., Unit Operations of Chemical Engineering, 5th ed., McGraw – Hill, Singapore, 1993. 10. Perry, R. H. and Green D. W., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th ed., McGraw-Hill, New York, 1997. 11. Phillip Thomas, Simulation Of Industrial Processes For Control Enginners, Butterworth – Heinemann, USA, 1999. 12. Rice, R. G. and Do, D. D., Applied Mathematics and Modelling for Chemical Engineers, John Wiley and Sons, New York, 1995. 13. Seader, J. D. And Ernest J. H., Separation Process Principles, John Wiley & Sons, Inc., United States of America, 1998 14. Smith, J. M., Van Ness, H. C. and Abbot, M. M., Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5th ed., McGraw-Hill, Singapore, 1996. 15. Treybal, R. E., Mass Transfer Operations, 3rd ed., McGraw-Hill, Singapore, 1993. 16. Walas, Chemical Process Equipment, 10th ed., Butterworth Publishers, USA, 1988.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-1-6